隧道三臂凿岩台车楔形及直眼掏槽爆破技术研究

2017-07-06吕玉松

山东工业技术 2017年12期

关键词：隧道

摘要：为了研究三臂凿岩台车楔形及直眼掏槽爆破技术在小断面隧道开挖施工中的应用，本文以巴玉隧道为依托，分别对两种施工方法所使用的台车性能参数、爆破方案的选择、炮孔的布置位置以及材料使用等方面进行了对比分析，研究表明直眼掏槽施工法无论在节约工程成本还是缩短施工工期方面都是最佳的方案，采用直眼掏槽开挖技术更能发挥三臂凿岩台车的优势。

关键词：隧道；三臂凿岩台车；楔形爆破技术；直眼爆破技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.123

0 引言

長期以来，岩石隧道施工中最主要采用手工钻爆法和TBM法进行破岩，这种爆破方法炮眼深度一般在1.6～2.0m，循环进尺为1.2～1.7m，炮眼利用率一般为75%～85%，最低为60%左右。在我国钻爆法比较盛行，钻爆法的核心工序之一就是钻孔爆破，一些矿山采用凿岩台车或液压凿岩机钻孔等，以提高掘进效率，但炮孔深度均在2.0～3.0m之间[1-2]。目前我国最常使用的钻孔机具为气动凿岩机配合自制开挖台架以及多臂凿岩台车。而人工钻孔爆破法施工成本较低，但是工人作业劳动强度较大、作业环境恶劣、并且施工效率低下；多臂凿岩台车钻爆法具有速度快、自动化水平高、施工质量高、操作安全、隧道开挖作业工作环境好，但是造价较高，从降低人工开挖劳动强度，改善作业环境以及充分发挥机械设备优势上来说，机械作业是今后隧道施工的主要发展方向[3]，而多臂凿岩台车钻爆法具备这些优点，而在实际工程中也得到了更加广泛的推广和应用。

针对这种现状，本文对某隧道工程施工中，采用的三臂凿岩台车楔形掏槽与直眼掏槽钻爆法施工技术进行了总结，同时以本工程为依托，比较了楔形掏槽与直眼掏槽钻爆法所使用的台车性能参数、爆破方案的选择、炮孔的布置位置以及材料使用等方面。

1 工程概况

巴玉隧道为拉林铁路控制性工程，总体沿东西走向，隧址位于藏南谷地桑日至加查下游段，进口轨面标高为3464.081m，位于山南地区桑日县干登，出口轨面标高为3344.109m，位于山南地区加查县藏木。隧址地面标高3260～5500m，高差达2300m，为典型的高山峡谷地貌。隧道工程地质岩性揭示为岩浆岩，属块状全晶质花岗岩，整体性较好，岩石极轴抗压强度普遍在192MPa以上，属Ⅱ级围岩；不良地质有岩爆、高地应力、地热等，其中高地应力对爆破影响最大，通常爆破格外困难，炸药单耗要比正常情况下高的多，这也是深埋花岗岩的固有特性。

隧道最大埋深约2080m，进出口均无公路相通，交通困难。隧道以越岭走行于雅鲁藏布江南岸，起讫里程DK190+388～DK203+461，全长13073m，为单洞单线隧道，隧道设进、出口2个平导，进口平导长度4058.827m，出口平导长度4073米。进出口平导采用XL3D三臂凿岩台车进行掘进作业。平导设计开挖断面为圆拱直墙型形，高为6.33m，宽7.5m，具体尺寸如图1。

2 三臂凿岩台车楔形掏槽钻爆法

2.1 XL3D三臂凿岩台车简介

Boomer XL3D三臂凿岩台车整车由底盘、钻臂、推进梁、凿岩机、服务平台、液压控制系统、空压机以及水泵组成，可以进行钻爆空、锚杆孔、注浆孔、管棚施工、装药、安装锚杆、灌浆以及安装风水管等高空作业[4]。具有安全、高效、符合人机工程学的设计特点，采用先导控制液压系统，减少了控制平台四周的高压胶管数量，对操作者更安全，并且噪声更小；采用新型人机工程学控制面板，控制系统的液压部件集中在一起，易检修、维护；符合FOPS（防落物冲击）标准的防护顶棚，可以升高1.1m来增加更好的视野；为了增加效率和准确度，Boomer XL3D配备了推进梁角度测量系统（FAM3），这个系统有助于操作者精确钻孔，减少超挖或是欠挖，增加一次进尺量，其具体的性能参数如表1所示。

Boomer XL3D大臂长度7.1米，配备钻杆长度5.25米，更加适用于大断面开挖。XL3D三臂凿岩台车见图2。

2.2 测量准备工作

为了保证施工的进度，改变了常规的施工测量方法，采用全站仪测量以及激光导向仪相结合的方法来进行控制开挖。洞顶位置安装了一台激光指向仪，调整激光束与隧道轴线方向保持一致。台车定位以后，测量人员采用全站仪进行周边炮眼的放样。同时台车施钻人员根据激光投射与掌子面上的点束位置，先施钻掏槽眼以及辅助眼。通过这种方法测量放样就不再占有工序循环时间。每循环可以节约30～45min测量放样时间。

2.3 楔形掏槽爆破设计

为了保证爆破工作安全有序进行，不同的爆破部位根据实际情况选取不同的爆破参数和装药结构，对不同位置的炮孔的爆破参数根据其爆破破碎标准试爆后进行调整。通过人力和机械相结合的方法清理爆破现场，爆破具体的施工工序为：施工设备以及材料的准备→现场爆破→清理爆破现场[5]。

2.3.1 炮孔布置

考虑到施工工期紧、安全风险高等特点，为减少作业面人员数量，规避开挖阶段安全风险，进出口平导全部采用XL3D三臂凿岩台车进行掘进作业，采用了楔形掏槽，并在实际施工中不断对周边眼的间距，装药量以及掏槽眼的角度进行调整和优化，楔形掏槽钻孔爆破设计炮孔布置如图3所示。

每个炮孔按照不同段位安装非电毫秒雷管，分区并联后与1段毫秒雷管连接，最后由电雷管引爆

2.3.2 爆破参数的确定

根据前述的爆破理论、相关参数以及相关隧道工程钻孔爆破技术的经验，对本巴玉隧道工程的爆破位置以及所使用的药量进行了统计分析，具体的结果见表2。

根据表2可以看出，采用三臂台车楔形掏槽施工钻孔数量总计约133个，正常情况循环进尺约3.4米，炮眼利用率90%，开挖总方量约148.69方，使用炸药总量358.25kg，炸药单耗约2.41kg。

2.4 台车强制保养制度

为了保证台车的使用率，必须要加强台车的日常管理和保养，台车保养实行“1+1”的台车保养模式，即开挖放炮为一个保养循环，实行定机、定人、定臂等保养管理模式，从而抱保证台车充分发挥其机械性能，减少故障率，最终保证施工进度。其中保养的主要内容是：检查、清洁、紧固、调整、润滑以及防腐等[6]。

3 三臂凿岩台车直眼掏槽钻爆法

直眼掏槽是由若干个彼此距离很近的，垂直于开挖面的相互平行的炮眼组成。其中一个或几个不装药的炮眼称为空眼，其作用是给装药眼创造临空面，保证掏槽眼范围内的岩石被破碎。所以直眼掏槽就是利用一些相互平行眼距不大的炮眼内炸药包爆炸的巨大能量，将掏槽区范围内的岩石破碎，并将其抛出槽外，从而形成一个设定的槽腔。这就为后续爆破的炮眼提供了一个平行于这些炮眼的第二临空面，然后按顺序起爆，直到设计的断面周边轮廓为止。直眼掏槽一般适用于中硬有坚硬岩层，本工程中巴玉隧道平导岩石为花岗岩，又采用钻孔台车开挖，更能体现直眼掏槽的优势。

对于直眼掏槽以及楔形掏槽钻孔爆破法，其使用的三臂凿岩台车的性能参数、测量准备工作以及台车保养方式基本上是相同的，区别在于爆破方案的选择、炮孔的布置位置以及炮眼所使用的药量的不同。

3.1 直眼掏槽爆破方案

3.1.1 炮孔布置

根据岩石的主要特性如强度、脆性、密度等，结合以往施工爆破经验综合分析：采用五梅花中空直眼掏槽方案较为合理。炮眼布置形式如图4所示

为降低爆破后产生的灰尘，有效提高工序时间利用率，从孔底向孔口依次按照炸药→水袋→炮泥进行放置。图中1段外圈4个φ100炮孔为中空孔，不装药，只是起到扩大槽腔的作用。

3.1.2 爆破网络

周边眼采用导爆索引爆药包，由于导爆索具有传爆方向，在周边眼孔口沿同一方向并联导爆索，理论上周边眼采用导爆索并联后可由1发毫秒雷管引爆，但是在实际操作过程中，为确保顺利引爆，通常周边眼按5～6个炮孔分区，分别安装1发毫秒雷管，最后并联所有毫秒雷管，然后由电雷管引爆。这种方法的优点是节省了毫秒雷管，提高了光爆质量。图5展示了周边眼导爆索并联的施工现场。

3.2 爆破参数的确定

根据前述的爆破理论、相关参数以及相关隧道工程钻孔爆破技术的经验，对直言掏槽钻爆发施工所使用的药量进行了统计分析，具体的结果见表3。

利用三臂台车直眼掏槽施工方法，钻孔数量总计约117个，正常情况循环进尺约3.7米，炮眼利用率93%，开挖总方量约161.81方，使用炸药总量248.8kg，炸药单耗1.54kg。

4 技术经济效益分析

为了进一步体现直眼掏槽爆破施工法在掘进效果及经济效益方面的优势，分别对三臂台车楔形掏槽及直眼掏槽爆破两种施工方法在炮孔的使用数量、炸药单耗等方面进行了对比分析，具体指标见表4。

通过表4的分析结果可以看出，楔形掏槽技术与直眼掏槽技术平均循环进尺几乎相同，但是后者剩余的工期大大缩短，且消耗的炸药量及导爆管数量都在减少，同时施工成本节约了31%，可见直眼掏槽工法更能体现三臂凿岩台车的开挖优势。

5 结论

（1）本文以巴玉隧道工程为依托，总结了三臂凿岩台车楔形掏槽与直眼掏槽的施工方法，可以看出两种施工方法所使用的三臂凿岩台车的性能参数、测量准备工作以及台车保养方式基本上是相同的，区别在于爆破方案的选择、炮孔位置的布置以及炮眼所使用的药量的不同。

（2）通过三臂凿岩台车楔形掏槽与直眼掏槽比较，可以看住直眼掏槽施工方法可以缩短施工周期，减少施工材料的用量，同时施工成本较楔形掏槽施工方法可节约31%，直眼掏槽施工法無论在节约工程成本还是缩短工期方面都是最佳的方案。

（3）直眼掏槽法炮眼布置并不是一成不变的，还是要坚持“岩变我变”思想，随时根据围岩变化情况调整爆破参数，以达到理想的爆破效果。

参考文献：

[1]郝飞.坚硬岩石巷道中深孔掘进爆破实践[J].煤炭科学技术，2009，37（09）：24-30.